FANUC的新一代NGC系列數(shù)控系統(tǒng)

  　本文通過對FANUC公司新一代NGC數(shù)控系統(tǒng)0i、16i和30i系列的技術特點和先進功能的闡述，使讀者從中了解當今數(shù)控系統(tǒng)軟硬件技術的最新成果，以及向高速、高精、網絡化、開放性等方面的發(fā)展動向。

前言
    FANUC的新一代NGC(NEXT GENERATION CONTROLLERS) 數(shù)控系統(tǒng)(以下簡稱為NGC系列)包括3個系列：
1) 0i系列：高可靠性和高性能價格比的CNC， 該系列包括FS0i/0i Mate-MODEL C；
2) 16i系列：適合于各種數(shù)控機床的高速、高精、納米CNC，該系列包括FS16i/18i/21i-MODEL B；
3) 30i系列：適合于先進、復合、多軸、多通道、納米CNC，該系列包括 FS30i/31i/32i- MODEL A。
    這三個系列的CNC數(shù)控系統(tǒng)是FANUC公司新近開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)。涵蓋低端到高端， 并配合開發(fā)各種規(guī)格的高性能、高精度的旋轉和直線移動的伺服電機（包括傳感器）、伺服放大器和作為維修、調試的應用工具軟件的“操作指南”、“伺服指南”、 “TURN MATE i”等，構成了完整的系列。

圖1 FANUC新一代NGC數(shù)控系統(tǒng)

這些系列的數(shù)控系統(tǒng)主要特點為：

表1

一、可以滿足從低端到高端的需要
    從一般的車床、銑床、加工中心、磨床到功能齊全的復雜、先進的復合、高精、高速和高效、多軸聯(lián)動、多工位、多通道數(shù)控機床等，都能滿足，也可以適應從金切機床到沖壓成形機床的不同品種的需要。FANUC的NGC系列低端CNC為FS0i/0i Mate-MODEL C，是非常小型化的高可靠性、高性能價格比的數(shù)控系統(tǒng)。其中FS0i - MODEL C最多可以進行4軸控制，它的功能以功能包形式劃分為A、B兩種，以便更適合不同機床的檔次，比如對A功能包，可以用于模具加工。而FS0i Mate-MODEL C，最多可以控制3軸，并具有操作工具“操作指南0i ”及“TURN MATE i”。
    比較FANUC在80年代開發(fā)的0C系列，0i具有更快的速度。以上表1為這兩種系統(tǒng)分辨率和快速進給率的比較：
    從表1可以看出，0C、0D；0i、16i是在兩種同樣的硬件平臺下對數(shù)控功能進行增減 而開發(fā)出來的，在同樣的分辨率下，NGC系列具有更快的快速進給率，也就是它具有更快的處理能力，因而可以獲得更高的速度，更高的精度。即使在NGC系列的最低端產品0i-C也比0C具有更快的處理能力。NGC系列最高端產品30i在系統(tǒng)分辨率為1nm時，最高速度可達到1m/min。
二、采用最新的硬件技術
    NGC的30i系列采用了最新的超高速微處理器。另外，CNC內部的總線也實現(xiàn)了高速化的處理，因而大幅度提高了構成系統(tǒng)的CNC處理器、PMC處理器、數(shù)字伺服處理器之間的數(shù)據傳輸速度。
    對16i和30i系列，把CNC系統(tǒng)的數(shù)控功能板安裝在顯示器背面，這種顯示器一體型的CNC使系統(tǒng)變成其厚度只有60mm超小型、超薄型的控制裝置，大幅節(jié)省了機床的CNC系統(tǒng)安裝空間，從而也為機床的小型化做出了貢獻。另外，還為用戶開發(fā)了顯示器和CNC控制裝置相互分離的顯示器分離型CNC。與以往的CNC相比，在最大配置時，節(jié)省了二分之一的安裝的空間。
    對30i系列，為了提高系統(tǒng)的操作性，顯示器采用了15英寸的寬屏彩色液晶顯示器，該裝置具有1024點×768點，將豐富多彩的信息顯示在屏幕上。另外，除了在液晶顯示器的下面配備的橫排軟鍵外，還在液晶顯示器的旁邊新設了豎排軟鍵。利用橫豎兩排軟鍵，可方便地進行屏幕操作。
    顯示器前面還配置了一個PCMCIA接口。在這種情況下，使用微型閃存卡，可以將存儲卡完全插入CNC控制裝置進行DNC的運行。作為用來將各類數(shù)據輸入到CNC中的鍵盤，新設立了與PC機的鍵盤相同排列的QWERTY（標準的傳統(tǒng)鍵盤）。由于可以像操作PC機一樣地輸入數(shù)據，熟悉PC機操作的用戶可以駕輕就熟地操作CNC。CNC的顯示器除了15英寸彩色顯示器外，還備有10.4、8.4、7.2英寸彩色顯示器。另外，備有標準機床操作面板，允許用戶對不同的機床按鍵進行自定義。
    NGC系列采用高速光纜FSSB將CNC與多個伺服放大器串行聯(lián)接，F(xiàn)ANUC串行伺服總線 FSSB，傳送速度比以往提高2倍以上。1根光纜最多可以控制16軸伺服電機。采用高速DSP和高速FSSB傳送伺服控制信號，實現(xiàn)31.25μs的伺服電路控制周期。由于采用光纜傳送信號，速度高；同時大大減少了連接的電纜，因此也大大提高了可靠性。

表2 16i系列的控制軸數(shù)

三、多軸、多通道的數(shù)控系統(tǒng)
    NGC系列新開發(fā)的16i系列，軸數(shù)有了明顯的增加，表2是16i系列的軸數(shù)，其中括弧內為舊16i系列的軸數(shù)據。
    NGC系列中30 i系列的規(guī)格如表3，該系列具有先進的擴展功能，可實現(xiàn)對10個路徑、32個伺服軸和8個主軸的控制，可用于各種大型機床，復合機床和自動車床。使用一臺CNC就可以實現(xiàn)機床制造廠所要求的具有特殊的復合控制技術的多路徑，多軸的機床控制。該系統(tǒng)也適用于多軸和多路徑車床和高效自動車床，龍門或需要多坐標軸的多頭機床，需要巨大推力的有許多直線電機驅動的機床。

   

表3 30i系列的規(guī)格

為了要獨立地控制32個伺服軸和8個主軸，每個軸都要對單獨的名稱進行命名，該系列軸的名稱字符可擴展到3個字符，使用此功能就可以實現(xiàn)與機床規(guī)格和路徑號相匹配的軸的名稱進行編程。
    5軸加工是一種先進的加工。NGC系列中，F(xiàn)S16 i-MODEL B， FS18 i-MODEL B5， FS30 i-MODEL A， FS31 i-MODEL A5；均可以進行5軸加工。5軸加工機床的配置大致可分為“刀具旋轉型”、“轉臺旋轉型”、“混合型”（刀具/轉臺均旋轉）。每種型式具有不同的配置。因此以上系統(tǒng)的5軸加工功能，不管是哪種機械配置，都可以與之對應。NGC系列具有豐富的5軸加工功能，這些功能主要為：
1) 用于5軸加工的刀具中心點位置控制：5軸加工機床的加工程序在大多數(shù)情況下以小程序塊指定，許多用戶希望以簡便而較少的程序段來編制復雜的加工輪廓。根據這個需求，可采用5軸加工的刀具中心位置控制功能。不管刀具的方向怎么變換，刀尖的路徑以及速度都按照程序指定的路徑及速度進行自動控制。它除了與“直線插補命令”對應外，還與“圓弧插補命令”對應。程序指令格式除了“指定旋轉軸的角度的方法”外，還 有“指定刀具的傾斜度的方法”。在旋轉軸的機械配置和刀具軸名稱不同的機床上，也可以相同的程序進行加工。
2) 傾斜面加工命令：在對工件上的某個傾斜面進行鉆孔或銑槽等形狀加工時，通過指定加工面為XY平面，編程工作就會變得很簡單。傾斜面加工命令可以實現(xiàn)這種指定方式，同時，不需要指定刀具的方向，就可以使刀具以垂直于傾斜的加工面的方式自動地定位刀 具。這個功能使在傾斜的加工面上的編程變得很簡單。
3) 用于5軸加工的手動進刀：通過手輪、JOG和增量進給，可以輕而易舉地使刀具沿著斜面 移動，或使刀具沿著斜面的刀具方向移動，或者在保持刀尖位置的情況下改變刀具的移動方向。這樣，也就減輕了操作人員對準備作業(yè)的負擔。
4) 5軸加工用的刀具半徑補償，可以在垂直于刀具方向的補償平面上針對指令路徑在右/左側進行刀具半徑補償。
    由專用的處理器和最新的專用的LSI組成的PMC，對大量的順序控制進行高速處理。
    可以在1臺PMC上執(zhí)行最多3個路徑各自獨立的梯形程序。每個梯形程序具有其自身獨立的數(shù)據區(qū)，因而可以進行具有較高獨立性的模塊化程序的開發(fā)�？梢苑謩e創(chuàng)建用于裝載軸控制和外圍設備控制的梯形程序，并對其自由地進行添加和修改�？梢愿鶕�每個用戶的機床配置，簡單地進行梯形程序的開發(fā)，實現(xiàn)機床的系統(tǒng)化。此外，由于不需要用于外圍設備控制的外部PLC，因而可以減低系統(tǒng)成本。

圖2 納米插補方框圖

四、具有豐富的高精、高速功能
1) 納米插補：納米插補產生以納米為單位的指令給數(shù)字伺服控制器，使數(shù)字伺服控制器的位置指令平滑，因而也就提高了加工表面的平滑性。通過將“納米插補”應用于所有插補，無論是銑削加工還是車削加工，均可實現(xiàn)納米級別的高質量加工。此外，除了伺服控制外，“納米插補”還可以用于Cs軸輪廓控制；剛性攻絲等主軸功能。納米插補的方框圖如圖2；其中HRV是“高反應矢量”控制的意義。
2) AI納米輪廓控制功能：該功能不需要選擇專用的硬件，就可以在直線插補和圓弧插補時進行納米插補。
3) AI納米高精度控制：使用高速的RISC處理器，以相應于機床性能的最佳進給率，在納米插補下進行加工。為了使平滑的運動有效，可對機床的各個軸因不同慣量產生不同的偏差進行分別的加速度設定；這樣可以起到以下作用：達到多程序段的平滑加減速。由判別所指令的形狀進行自動進給率控制；在允許的加速度范圍內對每個軸的進給率進行控制；為避免產生軌跡的誤差進行插補前的加減速。
4) 加速度控制：防止由于加工形狀的突然變化而產生的加速度的急劇變化，從而引起的沖擊和振動，這個功能可以提高加工表面的質量，減少加工時間。
5) NURBS插補：NURBS (Non Uniform Rational B-Spline)是一種自由曲線；當采用CAD設計模具時，NURBS被廣泛地用來表示自由曲線。NGC系列的16i和30i支持對NURBS曲線的編程。對于模具所需要復雜曲線的加工，最可行的是將定義CAD設計的自由曲線的函數(shù)指令給CNC控制系統(tǒng)。于是開發(fā)出NURBS插補的方法。允許用較少的程序段定義出由大量短直線段組成的程序。減輕了數(shù)據流的瓶頸。NURBS在用CAD進行模具設計時，自由曲線(或自由曲面)得到了廣泛的應用。NURBS是自由曲線(或自由曲面)的一種形式。它除了具有整個曲線平滑的特征(1次、2次可導)外，還能表現(xiàn)出曲線和樣條曲線所不能表現(xiàn)出的如橢圓、拋物線、雙曲線那樣的二次曲線和直線。而且，由于其表示方程式為多項式的組合，所以具有可局部地變更曲線的性能。NURBS已經在CAD中得到普及。NURBS使用控制點、節(jié)點矢量、權三個變量來表達自由曲線。如果采用該三個變量指令NC零件程序，則NC在內部生成NURBS曲線；CNC進行NURBS插補，并沿著該NURBS曲線平滑驅動機床。使加工的工件形狀非常接近CAD設計的幾何形狀。NURBS有如下的優(yōu)點：
（1）由于NURBS曲線近似小直線段，所以誤差很小，精度很高。
（2）與以小線段近似的曲線比較，CNC的零件程序大大縮短。不必要以高速下載零件程序到CNC系統(tǒng)，而且工件的表面非常平滑。
（3）配備64位的RISC時，段處理時間可減少。
（4）進行高精加工時，進給率自動控制：在拐角自動進行加減速，進給率自動控制使之不超過機床允許的加速度率。
    該系列CNC精密地按NURBS曲線插補，于是加工出的零件近似于CAD設計的幾何形狀。NURBS插補也支持5軸聯(lián)動。
6) 納米平滑：在模具加工中，可以再現(xiàn)由CAD設計的自由曲面，實現(xiàn)“無研磨”平滑。具有自由曲面形狀的模具加工，在利用CAD/CAM系統(tǒng)創(chuàng)建加工程序的過程中，采用減小設計形狀和程序命令的容許誤差，即“公差值”，以提高加工表面的質量的方法。但是，用程序指定的點由于圓整誤差而沒有處在理想的曲線上，或是由于在直線插補中指定了加工程序而使得曲線成為多角形等原因，導致加工表面出現(xiàn)痕紋�！凹{米平滑”是以NURBS曲線從CAD/CAM系統(tǒng)的創(chuàng)建的微小線段程序中推測原來的自由曲面，以納米為單位對業(yè)已創(chuàng)建的NURBS曲線進行插補的技術。因此，可以得到接近所設計的形狀的光潔的加工表面，減小手工研磨的工序。由于納米插補使用由CAD/CAM系統(tǒng)創(chuàng)建的微小的線段程序，因此可以繼續(xù)使用過去已用慣的程序。
7) 前瞻控制：一般的數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行程序是邊輸入、邊運算、邊執(zhí)行，當正在執(zhí)行某段程序時，CNC就計算出下段程序的數(shù)據。如果執(zhí)行一個程序段過快，比如移動距離短、進給速度快的程序段，那么就會產生運算和處理追不上運動的現(xiàn)象。因此，系統(tǒng)需要進行緩沖。這是數(shù)控系統(tǒng)的重要功能。為了使機床連續(xù)運行，在執(zhí)行某個程序段時，讀取另一個程序段并進行運算，把運算的結果存到緩沖器中。這樣，運行的程序完成以后，下個程序段可以立刻進行。當數(shù)控系統(tǒng)應用在高速加工時，進給率大大提高，因此由于加速度、減速度產生的延遲和伺服產生的延遲引起的誤差也大大增加。如果在不同的加工形狀時對進給率和加減速進行預計算，使得數(shù)控系統(tǒng)在程序編制以后，執(zhí)行以前，預先計算出各程序段的運動軌跡和運動速度；即對將要運行的程序進行預先處理，根據上面提到的控制進給率和加、減速度方法，預先計算出一些程序段的進給率和加、減速度，進而計算出運動的幾何軌跡，然后送到多段緩沖器，當運行時刀具按一定的速度高速運動，而加工形狀的誤差卻仍然小。這就是“前瞻控制”（“l(fā)ookahead”）。執(zhí)行這種控制，根據控制的程序段數(shù)，需要以下的控制相配合：
(1)預先進行補前加減速控制（包括伺服控制中的“預先前饋控制”）；
(2)多段緩沖器：由于增加了多段緩沖器，就可以避免連續(xù)很小程序段加工產生的中斷；
(3)在加工圓弧時，可以箝制進給率；
(4)補后直線加減速；

表4 NGC系列前瞻控制段數(shù)

(5)RISC(精簡指令集計算機)控制：如果需要預計算的程序段很多，比如高速加工需要進行多達幾十段甚至幾百段的程序預計算，這是非常復雜的。對于一般CNC而言，系統(tǒng)并沒有這個處理能力。為了提高計算機的計算能力，采用了RISC芯片控制。NGC系列的前瞻控制段數(shù)據如表4所示。
五、高速、大容量、多通道的PMC
    30i系列由專用的處理器和最新的專用LSI組成的PMC，對大量的順序控制進行高速處理。可以在一臺PMC上執(zhí)行最多3個通道、各自獨立的梯形程序。每個梯形程序對應其自身獨立的數(shù)據區(qū)，因而可以進行具有較高獨立性的模塊化、程序化的開發(fā)�？梢苑謩e創(chuàng)建用于裝載軸控制和外圍設備控制的梯形程序，并對其自由地進行添加和修改�？梢愿鶕�每個用戶的機床配置，簡單地進行梯形程序的開發(fā)，實現(xiàn)機床的系統(tǒng)化。此外，由于不需要用于外圍設備控制的外部PLC，因而可以降低系統(tǒng)的成本。

由PMC管理的各類I/O與FANUC的I/O LINK串行連接。FANUC I/OLINK除了連接通用的I/O外，還可以連接機床操作面板、用于外圍設備控制的β伺服放大器、便攜式機床操作面板。

六、伺服HRV（High Response Vector）控制
    FANUC的伺服HRV控制是實現(xiàn)納米CNC系統(tǒng)的高速、高精度的伺服控制。目前已發(fā)展和實現(xiàn)了HRV4控制。這種控制具有以下的特點：1.作為伺服的位置指令，總是使用以納米為單位的命令；2.標準安裝具有1600萬/rev分辨率的ai脈沖編碼器作為檢測器；3.采用超高速的伺服控制處理器，可以在最高速下實現(xiàn)周期時間為31.25μs的電流控制和周期時間為250μs的速度控制；4.利用共振跟蹤型HRV過濾器來避免機械共振，同時通過畸變預測控制來降低機床的振動。通過以上功能的組合，進行納米級別的控制，實現(xiàn)高質量的機械加工。
    采用HRV4控制，可以大幅提高對命令的響應性和抑制外部干擾。電流的控制是所有伺服控制的基礎，HRV4可實現(xiàn)最高超過1kHz的高頻響應特性。它還可以實現(xiàn)增益更高的速度控制。
    主軸HRV控制可實現(xiàn)主軸的高響應性和高精度；主軸HRV4的控制具有以下特點：1.在位置控制方式下與納米插補相應，與進給軸一樣，在主軸上也實現(xiàn)了納米CNC系統(tǒng)；2.通過利用繞組溫度信息的最佳電流相位控制，降低電機的發(fā)熱量，實現(xiàn)不受溫度影響的恒定輸出。通過主軸HRV控制，實現(xiàn)機床主軸的高精度、高響應和高效率。
七、豐富的網絡功能
    利用豐富的網絡功能和軟件，通過網絡傳遞和共亨信息，管理系統(tǒng)和使用系統(tǒng)。利用以太網與工廠的網絡相互連接構成FA（工廠自動化）系統(tǒng)、也可以從工廠外部進行遠程監(jiān)控；將CNC與PC機連接起來，即可觀察NC程序的傳輸和機床的運轉狀態(tài)，又可以實時集中監(jiān)控加工現(xiàn)場的作業(yè)。另外，通過將CNC連接到工廠的網絡，即可將管理部門和加工工廠連接起來。這樣，就可以通過生產指令和實際加工數(shù)據對整個工廠進行管理，從而提高生產效率。此外，也從工廠外的管理部門和家庭連接因特網，遠程監(jiān)控機床的運轉狀態(tài)。在顯示器旁插入PCMCIA卡，可以簡單地與計算機連接起來，進行機床的調試和維護。系統(tǒng)支持下列的現(xiàn)場總線：1.FL-net；2.PROFIBUS-DP，實現(xiàn)基于歐洲標準的12Mbps 的高速傳輸；3.DeviceNet；4.I/O Link-II。
    系統(tǒng)可以配置數(shù)據服務器，可以將微小移動距離、連續(xù)模具加工的大容量程序，存儲在內置的快速數(shù)據服務器ATA閃存卡中進行高速加工。
    數(shù)據服務器運行的同時，也可以使用其他的以太網功能。在數(shù)據服務器和PC之間，可以高速進行加工程序的傳輸。也可以進行CNC參數(shù)和刀具信息文件等的接收和發(fā)送。 可以調用ATA閃存卡中的宏語句和子程序的存儲器運行。也可以從PC機執(zhí)行DNC的運行。對存儲在ATA閃存卡中的程序可以進行編輯。通過系統(tǒng)的以太網功能，利用FANUC的軟件調試工具“SERVO GUIDE”可以對伺服進行調試；也可以利用“FAPT LADDER”的軟件對系統(tǒng)PMC的梯形圖進行調試。
八、方便操作的“MANUAL GUIDE”
    它是在一個畫面上支持從加工程序的編制、程序的檢查、準備到實際加工等所有操作的操作指南功能；免掉了操作人員來回切換屏幕的麻煩；可以在程序屏幕和偏置屏幕上一次顯示出大量數(shù)據，提高輸入和確認的操作效率；在多軸系統(tǒng)中可以一次顯示出多個位置信息，使得操作性有了改善；在多路徑的系統(tǒng)中，最多可以將4個路徑顯示在一個屏幕上。在構建復雜的多路徑系統(tǒng)中，實現(xiàn)優(yōu)良的可視性和操作性。
九、方便調試的“SERVO GUIDE”
    它通過CNC的以太網，把CNC和PC連在一起，利用 FANUC的“SERVO GUIDE”軟件作為伺服和主軸的調整工具；很容易檢測出機床的誤差和伺服調整的狀態(tài)；它具有參數(shù)窗口（通過PC設定伺服參數(shù)，輸出到CNC）、程序窗口（從PC機端編制測試程序，輸出給CNC執(zhí)行）和圖形窗口（電機反饋脈沖經過CNC的緩沖器后顯示在圖形窗口，以便觀測）。
十、適應控制器開放的要求
    NGC系列的3個系列數(shù)控系統(tǒng)都可以在不同程度上開放；
(1)0i-C利用系統(tǒng)的以太網接口，通過FANUC的HSSB高速串行總線與PC機連一起，對用戶開放。
(2)160i/180i/210i 和 300i/310i/320i是與Windows的OS對應的開放式數(shù)控系統(tǒng)。它是在16i/18i/21i 和 30i/31i/32i系統(tǒng)中，增加了PC機，PC機通過CNC的獨有高速接口連接起來，并能高速傳輸大量數(shù)據，形成了最佳的融合。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)（fusion system）。由于它工作可靠，界面開放，不僅可以簡單地實現(xiàn)機床制造商獨有的功能，而且還與最終用戶的要求靈活對應；可以使用最新的信息技術，比如配備PC特有的圖形用戶接口GUI的CNC和利用機床的操作、網絡功能的信息交換、利用數(shù)據庫的刀具文件管理等，以實現(xiàn)機床的智能化；越來越受到機床制造商的歡迎。
十一、雙檢安全功能
    NGC系列16i/18i/21i 和 30i/31i/32i 中，設置有雙檢安全功能；它適合于歐洲安全標準EN954-1的安全功能。內嵌在CNC中的多個處理器雙重監(jiān)控伺服電機和主軸電機的位置、速度及與安全相關的I/O。這樣，可以大幅簡化為保證安全所必備的主軸電機速度監(jiān)控裝置以及簡化緊急停止電路等為適合安全標準所追加的電路，因而可以降低機床必要的成本。由于該功能對以往在外部電路中一直難以實現(xiàn)的伺服電機的停止狀態(tài)和位置也實行監(jiān)控，因而可以將當今最高的安全功能添加到機床上。此外，機床制造商還可以將使用的液壓、氣動來控制外圍等用于控制的I/O信號作為安全關聯(lián)I/O進行定義，并通過雙重監(jiān)控實現(xiàn)靈活而又便于使用的功能。
十二、糾錯碼的應用
    FANUC的CNC是基于系統(tǒng)化的LSI。根據FANUC設計開發(fā)的原則，其電路的印刷板應含最少的元件。由于CNC計算速度的提高，電子電路的速度也得提高， 它需要降低供電電壓，以降低其損耗；這時驅動LSI的數(shù)字信號就象一個模擬信號；這就使CNC的信噪比降低了。為此就有可能降低系統(tǒng)的可靠性。糾錯碼是一種最尖端的可靠性技術，它在傳輸各類數(shù)據的過程中將糾錯碼添加在數(shù)據上，以使在數(shù)據傳輸過程中即便發(fā)生錯誤，也可以通過糾錯碼而檢測出錯誤并予以糾正。FANUC公司的CNC，從一開始就針對CNC內部的半導體存儲器以及FSSB而使用ECC。此外，ECC還用在高速CNC內部BUS上。這樣，其可靠性一直深受用戶好評的FANUC公司的CNC，它的可靠性又得到了進一步加強。